基于无人机和物探调绘技术的公路隧道涌水病害处治研究

摘要 早期煤矿开采形成了大量的采空区，部分采空区与断裂带连通后，地表水通过断裂带及采空区持续渗入至既有公路的隧道周边，从既有隧道的衬砌薄弱处渗出，导致隧道衬砌滴漏甚至出现涌水病害。为深入研究采空区及断裂带共同影响下公路隧道渗水病害处治的关键技术，文章以龙岩市江山隧道渗水处治工程为背景，利用无人机进行测绘调查，结合遥感地质与地球物理勘探技术，重点研究既有隧道受采空区和断裂带共同作用下地表水下渗至隧道周边的路径调查，并根据渗水路径调查进行多种处治方案的比选，提出了隧道涌水病害处治方案，对后续采空区及断裂带影响下类似隧道涌水的处治项目具有参考意义。

关键词 采空区；断裂带；无人机；渗水路径；方案比选

中图分类号 U457 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）24-0064-03

0 引言

龙岩市江山镇早期煤矿资源丰富，煤矿开采形成了大量的采空区，受路线走廊带的限制，既有公路隧道不可避免地会穿越煤矿采空区。采空区将多个断裂带连通后，地表水持续补给至隧道周边，从隧道薄弱处渗出，导致隧道衬砌出现滴漏甚至涌水病害。因此，利用无人机测绘和地球物理勘探技术调查采空区和断裂带的联系及渗水路径的关键技术研究具有重大意义。

目前国内外利用无人机及物探技术调绘渗水路径进行了诸多研究，薛建志等[1]利用三维激光扫描技术实现了采空区形态、规模、位置的精确探查；郭建等[2]利用调查、地表变形监测、地表物探、钻探、井内物探等多种手段查明了深层采空区的分布、规模等地质特征；张驰等[3]采用无人机机载三维扫描测量系统对采空区进行了扫描测量；杨玉龙等[4]通过地质雷达等检测手段和建立力学模型研究了采空区影响下的隧道病害处治；何光安等[5]从岩石的碎胀和压实特性出发，得出了采空区渗流参数的分布图；智国军等[6]通过渗流试验揭露了采空区多孔介质渗透率的分布规律。该文以龙岩江山隧道渗水处治工程为依托，利用无人机测绘和地球物理勘探技术调查地表水渗水路径，通过增设排水洞等多方案比选后提出了经济合理的处治方案，可为后期公路隧道的涌水缺陷处治提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

该研究描述的隧道位于福建省龙岩市新罗区江山镇，江山隧道是龙岩市新罗区的一座单洞双向两车道的公路隧道，设计里程K3+000～K4+502，长1 502 m，隧道进出口洞门为端墙式，于2007年12月建成通车。隧道主断面按山岭重丘二级路标准设计，采用复合式衬砌，隧道路面宽度为2 m×3.75 m，隧道净高5.0 m，设计行车速度为40 km/h。根据施工期间资料，该隧道共穿越7条节理密集断裂带，共发现8个采空区，其中出现大涌水的采空区有6个。

1.2 隧道渗水情况

该研究涉及的隧道自建成至今，出现过多次不同程度的渗漏水病害。根据现场调查情况，隧道洞内渗水严重，主要表现如下：墙面和墙角突水，路面渗水唧泥、泛浆，施工缝渗水（局部为线性滴漏状态），二衬表面潮湿、面渗、渗水等。

2 水文地质调绘方案要点

如上所述，该研究所述隧道位于喜马拉雅早期构造形成的侵蚀低丘区，属于低山地貌，地形切割强烈，坡度较大，沟谷发育，区内植被发育。隧道洞身受横穿江山向斜的影响，地层在褶皱过程中曾产生不同程度的顺层滑动，加之构造活动的强烈影响，岩体整体比较破碎。该隧道地形复杂，植被密集，且覆盖范围比较大，通过对隧道周边汇水及渗水路径的调查，发现存在以下难点：

（1）隧道周边汇水区域多，需要调绘面积大，约2 km2，单纯人工调绘时间长，覆盖面可能不足。

（2）如前所述，该隧道周边存在多条节理密集断裂带，周边地形地貌复杂，植被密集，地表渗水点较为隐蔽，许多地方人力无法到达，调绘难度大。

（3）隧道周边为既有煤矿矿区，目前能收集到部分国营煤矿的采空资料，经了解早年存在私采问题，但无私采煤矿资料，且矿区关闭多年，许多巷道进出口已经封填，常规测绘和勘察手段难以查找。

2.1 地形地物调绘方案

如上述调绘要点及难点需求，根据江山隧道周边地物及地形情况，此次测绘利用大疆“御3”无人机搭载高分辨率数码相机，对隧道周边地形进行测绘，测绘技术要点如下：

（1）精度要求。

像控点相对于起算点的点位中误差，应小于0.1 m；高程中误差应小于0.1 m。

（2）区域网布点要求。

1）航线方向跨度为12条基线，旁向跨度为2条航线；区域网布点时在每个区域网内加布至少5个检核点，检核点和像控点距离一般应在3条基线以上，检核点应选择在影像清晰、目标明确的地方；该点不参与加密平差，只用于检核；在不规则区域网布点时，应在凹凸拐角处加布平高点。

2）特殊情况的布点。

（a）航摄区域接合处的布点。在航摄区域接合处，控制点应布设在航线重叠接合处，邻区尽量公用，如不能满足公用要求，则应分别布点。

（b）像主点和标准点落水的布点。当像主点或标准点位处于水域内，或被云影、阴影等覆盖，或无明显地物时，均视为点位落水。当落水范围的大小和位置尚不影响立体模型的连接时，可按正常航线布点，否则应按全野外布点方法进行布设。

（c）困难地区布点。在部分山地及森林茂密区域布设像控点困难，当航向出现连续12条（含）以上或旁向连续3条（含）以上基线无法在相片标准点位找到合适的目标时，可以适当放宽基线跨度要求，也可以考虑在相片非标准点位布设像控点。

2.2 水文地质勘探方案

此次勘探主要采用物探结合地质钻孔的技术进行。（1）此次钻孔共布设6个，分别在渗水集中区域、采空区相交区域和断裂带密集区域，所有钻孔均进行抽水试验，取芯钻进后扩孔口径为219 mm，泵室段直径为168 mm，终孔口径不小于128 mm。成井后进行地下水抽水试验，抽水试验应采用3次降深。（2）此次物探拟采用的方法包括高精度磁法剖面、磁法剖面测网布设、视电阻率联合剖面、音频大地电磁等，设置高精度磁法剖面2 km2；磁法剖面测网布设2 km2；视电阻率联合剖面100点；音频大地电磁50点。

3 隧道涌水处治方案

3.1 隧道涌水缺陷成因分析

地质水文调绘及勘探显示，江山隧道科技园侧最大涌水量的日出水量达64 966 m3/d；日流量连续15 d保持在45 000 m3/d以上；连续暴雨过完30 d后，近期平均也基本保持在28 000 m3/d左右，且K4+240位置附近出水量达到总出水量的3/5。如此大的涌水量，分析其原因主要如下：

（1）连续暴雨，现场无人机调绘显示地表截排水系统不畅导致丰富的地表水通过原有煤矿采空区巷道口、断裂构造带及其影响带渗入围岩裂隙和采空区内后渗入至隧道周边，当隧道排水系统不足以排出周边围岩水时将从隧道薄弱处渗出。

（2）物探及钻孔勘察显示，回龙煤矿采空区的最低标高为561.6 m，江山隧道路面标高为541.4～558.95 m，

煤矿采空区普遍高于隧道标高。当采空区富水时，采空区的水将通过巷道和断裂构造带及其影响带流向隧道

周边。

（3）施工资料显示，隧道在K4+240位置周边存在较大的采空区，且该采空区与周边采空区通过巷道连通；K3+382～K3+391段节理密集围岩破碎，施工期间多次塌方，大量涌水。

3.2 隧道涌水缺陷处治方案

（1）洞内处治方案。

既有江山隧道防排水设施主要为复合土工防水布、TR纵向软式管盲沟，中央排水管和排水边沟，隧道围岩周边的水主要通过排水沟和中央排水管排出隧道。现场调查发现，既有左侧排水沟内有一根直径为300 mm的自来水管占用左侧排水沟的排水面积，右侧排水沟兼电缆沟功能，导致电缆长时间浸泡在水中，影响电缆的使用寿命，且电缆和垃圾杂物堆积占用排水沟的排水面积。此次处治方案将配合自来水管设计及管养部门将自来水管迁改至盖板上，以恢复左侧排水沟的排水功能。针对右侧边沟的电缆采用衬砌桥架敷设，以恢复右侧排水功能的同时保护电缆。

（2）增设引水隧洞方案。

根据水文地质调绘，结合施工期间隧道周边地质情况，该研究考虑江山隧道在K4+240附近与采空区相交，且该区域出水量占整个隧道出水量的3/5，拟在隧道侧边增设内径2.0 m的引水隧洞，引水隧洞的内径将考虑排水需求和管内施工设备和人员的进入。引水隧洞紧邻既有隧道且既有隧道衬砌安全储备较小，拟采用顶管措施进行，以减小对旧洞的影响，在隧道洞外区域采用明挖方式进行施工。此次方案考虑两个引水洞平面方案，具体方案情况如下：

1）方案一：在江山隧道江山侧出口右侧布设内径为2.0 m的引水洞，引水洞的引水点位于江山隧道K4+240附近采空区，引水洞终点位置标高为552 m，该位置江山隧道的路面标高为555.9 m。引水洞出水口位于江山隧道右侧河道边缘，引水洞出口标高为551.1 m，出水口位置的河道标高为549.4 m，引水洞纵坡为0.5%。该方案在洞外采用明挖方式布设长度约100 m的排水管，利用顶管掘进技术穿越山体直至江山隧道K4+240附近的采空区域，顶管掘进长度约242 m。当顶管掘进至采空区附近时，顶管衬砌结合地质情况与采空区采用镂空处治，并在镂空区域布设环向引水管，将围岩及采空区的水引至引水洞处。

2）方案二：在江山隧道江山侧出口左侧布设内径为2.0 m的引水洞，引水洞的引水点位于江山隧道K4+240附近采空区，引水洞终点的位置标高为552 m，该位置江山隧道的路面标高为555.9 m。引水洞出水口位于江山隧道左侧河道边缘，引水洞出口标高为550.29 m，出水口位置的河道标高为550 m，引水洞纵坡为0.3%。该方案在洞外采用明挖方式布设长度约30 m的排水管，利用顶管掘进技术穿越山体直至江山隧道K4+240附近的采空区域，顶管掘进长度约270 m。当顶管掘进至采空区附近时，顶管衬砌结合地质情况与采空区采用镂空处治，并在镂空区域布设环向引水管，将围岩及采空区的水引至引水洞处，同步可以结合采空区域布置扩挖集水井的工艺进行处治。

3）方案比选：如上所述两个方案，方案一引水点位于采空区正下方，能够有效地排出采空区的积水；方案二位于采空区的斜下方，需要对引水点处扩挖集水井等措施对采空区的积水进行排除；同时方案一的顶管掘进长度较方案二短，且方案一的费用较低；此外，方案一的排水口处于河道下游，整体排水纵坡较方案二大，排水较方案二顺畅。综上所述，此次设计推荐方案一。

（3）增设水平排水孔方案。

在施工期间，K3+382附近出现多次塌方并出现大涌水，且该区域现状多处衬砌渗水，围岩破碎节理密集。此次方案考虑在隧道左右两侧通过水平钻孔的方式增设内径为20 cm的引水孔。引水孔在洞口通过水平钻孔方式施工，然后安装打孔波纹管，波纹管周边用土工布包裹。

（4）洞外截排水方案。

1）在江山隧道左侧原有采矿区的主入口区域，经了解矿区封闭时采用碎块石回填，后期在2023年表面回填土后进行了绿化处理。现场调查了解，暴雨后地表水进入该回填区域大部分下渗。为了减少下渗，此次处理针对该区域顶端设置顶宽1.2 m、底宽0.6 m、高0.6 m的梯形截水沟，在雨季能够引导大部分地表水直接排至河道，减少地表水下渗至煤矿采空区域。

2）江山隧道右侧调查显示，一处冲沟处存在一处采矿区的巷道口，该巷道口的出口为一道涵洞，目前已经被矿渣堵塞。涵洞出口冲沟也被矿渣堵塞严重。现场调查了解，连续暴雨地表水经上游冲沟流到堵塞涵洞后倒灌矿区巷道，地表水通过该巷道进入采空区。为了减少地表水通过该巷道进入煤矿采空区，此次处理针对该冲沟进行疏浚，清理堆积矿渣，然后对冲沟进行铺砌处理，使得地表水能够通过该冲沟及时排洪至河道，减少地表水倒灌进巷道。

3）在江山隧道距科技园洞口侧约200 m处原有采矿区的弃渣区域，该区域原状为山体冲沟，主要为排出地表水，现场调查了解现状已经被矿渣完全堆积堵塞，暴雨后地表水无法及时排出。为了顺利排出地表水，此次处理针对该区域顶端设置顶宽1.2 m、底宽0.6 m、高0.6 m的梯形截水沟，在雨季能够引导大部分地表水直接排至下方冲沟，减少地表水下渗至隧道周边围岩。

4 结语

该研究所依托的工程案例通过无人机调绘发现地表渗水路径，利用物探及钻孔地质调绘技术核查采空区的分布及标高，有效地描绘出隧道周边地表水的下渗路径，通过地表截排、洞侧增设引水隧洞和水平排水孔的处治措施，解决了江山隧道的涌水缺陷。该文研究采用的处治方案解决了困扰江山隧道多年的涌水问题，以期为类似工程提供参考，故提出以下建议：

（1）无人机调绘前应尽可能详尽地搜集隧道周边的地质水文和采空区资料，可以进行针对性的调查和航拍。

（2）物探及钻孔布置应充分考虑施工期间断裂带和采空区的分布。

（3）物探及钻孔布置应考虑水量及水流路径的影响，同时考虑区域降雨等影响因素，为后续排水隧洞内径的设计提供依据。

参考文献

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